El periodista londinense Martin Sixsmith ha perdido su trabajo como asesor del gobierno. La hija de Philomena Lee se le acerca en una fiesta. Ella le sugiere que escriba una historia sobre su madre, que se vio obligada a renunciar a su hijo pequeño Anthony hace casi cincuenta años. Aunque Sixsmith se muestra inicialmente reacio a escribir una historia de interés humano, conoce a Philomena y decide investigar su caso.

En 1951, Philomena se quedó embarazada tras un encuentro con un hombre en una feria del condado, y fue enviada por su padre a la abadía de Sean Ross en Roscrea, Irlanda. Tras dar a luz, fue obligada a trabajar en la lavandería del convento durante cuatro años, sin apenas contacto con su hijo. Las monjas dieron a su hijo en adopción sin dar a Philomena la oportunidad de despedirse. Mantuvo a su hijo perdido en secreto para su familia durante casi cincuenta años.

Martin y Philomena comienzan su búsqueda en el convento. Las monjas afirman que los expedientes de adopción fueron destruidos en un incendio años antes; sin embargo, no perdieron el contrato que ella se vio obligada a firmar hace décadas y que le prohibía ponerse en contacto con su hijo, lo que Martin considera sospechoso. En un pub, los lugareños le dicen a Martin que el convento quemó los registros deliberadamente, y que la mayoría de los niños fueron vendidos por 1.000 libras cada uno a estadounidenses ricos.

La investigación de Martin llega a un callejón sin salida en Irlanda, pero recibe una pista prometedora de los Estados Unidos e invita a Philomena a acompañarle allí. Sus contactos le ayudan a descubrir que Anthony fue rebautizado como Michael A. Hess, que llegó a ser abogado y alto funcionario de las administraciones de Reagan y George H. W. Bush. Cuando Philomena observa a Martin en el fondo de una foto de Michael, recuerda que lo conoció años antes mientras trabajaba en Estados Unidos. También se enteran de que lleva ocho años muerto.

Philomena decide que quiere conocer a las personas que conocieron a Michael y aprender de ellas más sobre él. Visitan a un antiguo colega de Michael y descubren que era gay y que murió de SIDA. También visitan a su hermana Mary, que fue adoptada al mismo tiempo del convento, y se enteran de que ambos sufrieron abusos emocionales y físicos por parte de sus padres adoptivos, y oyen hablar de su pareja Pete Olsson.

Tras evitar los intentos de Martin de ponerse en contacto con él, Pete accede a hablar con Philomena. Le muestra a Philomena algunos vídeos de su vida con Michael. Para sorpresa de Martin y Philomena, ven imágenes de Michael, fechadas poco antes de morir, en la Abadía donde fue adoptado, y Pete explica que, aunque nunca se lo dijo a su familia, Michael se había preguntado en privado por su madre biológica durante toda su vida, y había vuelto a Irlanda en sus últimos meses para intentar encontrarla. Pete les informa de que las monjas le habían dicho a Michael que su madre le había abandonado y que habían perdido el contacto con ella. También les revela que, en contra de los deseos de sus padres, mandó enterrar a Michael en el cementerio del convento.

Philomena y Martin van al convento para preguntar dónde está la tumba de Michael. A pesar de los esfuerzos de Philomena por detenerlo, Martin irrumpe furioso en las dependencias privadas y discute con una monja anciana, la hermana Hildegarde McNulty, que trabajaba en el convento cuando Anthony fue adoptado a la fuerza. La acusa de haber mentido a un moribundo y de haberle negado la posibilidad de reunirse finalmente con su madre, por pura justicia propia. Hildegarde no se arrepiente y dice que la pérdida de su hijo fue la penitencia de Filomena por tener relaciones sexuales fuera del matrimonio.

Martin le exige una disculpa, diciéndole que lo que hizo no es cristiano, pero se queda sin palabras cuando Filomena elige perdonarla por su propia voluntad. Philomena pide entonces ver la tumba de su hijo, donde Martin le dice que ha decidido no publicar la historia. Philomena le dice que lo publique de todos modos.